Геофизики: атмосферу Земли помог сформировать скрытый в магме кислород

Международная группа ученых обнаружила, что магма способна поглощать больше кислорода, чем считалось ранее. Этот «скрытый» кислород может дать важную подсказку о роли вулканической активности в формированием кислородной атмосферы планеты. Исследование провели ученые из Центра передовых исследований науки и технологий высокого давления совместно с коллегами из Северо-Западного политехнического университета и Амстердамского свободного университета. Работа опубликована в журнале National Science Review.

Невидимый резервуар кислорода

Кислород — один из самых распространенных элементов в недрах Земли. Он составляет более половины атомов в силикатной мантии. Традиционно считалось, что его содержание в магме жестко определяется другими элементами расплава — например, кремнием, магнием и железом. В отличие от воды и углекислого газа, которые растворяются в магме и выделяются при падении давления, кислород не рассматривался как самостоятельный летучий компонент.

Новое исследование ставит это допущение под сомнение. Ученые предположили, что расплавленный силикатный материал может удерживать дополнительный кислород независимо от своего основного химического состава.

Эксперименты при экстремальных условиях

Для проверки гипотезы исследователи воссоздали условия глубоких недр Земли. Они нагревали синтетический базальт срединно-океанических хребтов — породу, типичную для зон расхождения тектонических плит, — при температуре от 1200 до 1800 °C и давлении до 7 гигапаскалей. Это примерно в 69 000 раз превышает атмосферное давление на поверхности.

В образцы добавляли оксид платины, создавая среду, насыщенную кислородом. После экспериментов расплав быстро охлаждали до стеклообразного состояния. Анализ показал, что при атмосферном давлении избыточного кислорода в стекле почти не было, но при 7 гигапаскалях его доля превышала 5% от массы образца. В контрольных опытах без оксида платины этот показатель составлял лишь 0,2–0,5%.

Спектроскопия не выявила характерных признаков газообразного кислорода, то есть он не скапливался в пузырьках, а действительно встраивался в структуру стекла. Ученые полагают, что реальная емкость магмы может быть еще выше — часть кислорода могла улетучиться при охлаждении.

Что показало компьютерное моделирование

Параллельно профессор Хайян Ню из Северо-Западного политехнического университета провел серию расчетов с использованием глубоких нейронных сетей. Моделирование на атомном уровне воспроизвело ту же закономерность: с ростом давления способность расплава удерживать избыточный кислород увеличивается. Расчеты показали, что атомы кислорода при этом образуют пероксидоподобные связи и приобретают более разнообразные электрические заряды.

Это поведение напоминает растворимость воды и углекислого газа, которая также растет с давлением. На основании этого исследователи предлагают признать кислород самостоятельным компонентом силикатных расплавов.

Могла ли магма изменить атмосферу?

Открытие имеет важное значение для понимания того, как появилась атмосфера Земли. Если магма содержит «скрытый» кислород, то она могла транспортировать значительные объемы этого газа из недр к поверхности. По мнению авторов, при подъеме расплава и снижении давления избыточный кислород действительно мог высвобождаться и участвовать в окислительных процессах в верхней мантии, коре и атмосфере.

Эта гипотеза становится особенно привлекательной, если вспомнить, что время между 2,5 и 2,0 млрд лет назад, когда уровень кислорода в атмосфере резко вырос, было периодом интенсивной вулканической активности. Именно тогда сформировались крупнейшие магматических провинций и гигантские вулканические области. По предварительным оценкам, избыток кислорода, равный только 0,27% от массы извергнутой тогда магмы мог бы вривнести в атмосферу количество кислорода, сопоставимое с тем, которое присутсвует в атмосфере Земли сегодня.

Однако авторы не утверждают, что им действительно удалось доказать, что атмосфера приобрела свой нынешний вид благодаря магме. Они только показывают, что даже даже сравнительно небольшое количество кислорода, выделенного из магмы, могло преобразить облик нашей планеты.